Что такое грозовые перенапряжения и почему они возникают. Как влияет величина заземления опоры на значение перенапряжения. .

Характеристики грозовой деятельности и параметры молний

Для прогноза атмосферных перенапряжений и обоснованного выбора средств защиты необходимо иметь информацию по двум направлениям:

- о возможном количестве разрядов молнии в защищаемое оборудование или вблизи него;

- о токах в разряде молнии.

Первый вопрос решается путем анализа многолетних метеорологических наблюдений и использованием средних характеристик грозовой деятельности. Второй вопрос более сложен из-за сложности прямых измерений токов в разряде молнии, однако многочисленные исследования в этом направлении позволили получить приемлемые статистические данные по параметрам разрядов молнии.

Молния представляет собой электрический разряд между объемным зарядом в облаке и землей (наземные разряды) или между двумя заряженными областями (межоблачные и внутриоблачные разряды). Молнии предшествует процесс разделения и накопления электрических зарядов в облаках, происходящий из-за мощных восходящих воздушных потоков и интенсивной конденсации в них водяных паров. Восходящие потоки возникают в результате нагрева приземных слоев воздуха, который становится легче более холодных слоев. В восходящем потоке воздух охлаждается, и на определенной высоте его температура достигает значения, при котором образуется насыщенный водяной пар. Конденсация сопровождается выделением тепла, что стимулирует дальнейшее продвижение воздушного потока вверх до высоты примерно 6 - 8 км с образованием мощного кучевого облака.

Различают три характерные стадии развития грозового облака:

- зарождение с разрастанием облака (10 - 15 мин);

- зрелая стадия с интенсивными осадками, сопровождаемыми холодными нисходящими потоками и резкими порывами ветра (15 - 30 мин);

- распад облака при прекращении восходящих и нисходящих потоков воздуха и постепенном выпадении осадков (около 30 мин).

В целом грозовая деятельность определяется процессами в ряде отдельных грозовых ячеек. При прохождении холодного атмосферного фронта с резким понижением температуры воздуха такие процессы могут длиться до нескольких часов.

Первоначальным пусковым механизмом электризации грозового облака считается наличие в атмосфере электрического поля хорошей погоды из-за заряженности конденсатора земля - ионосфера (рис.12.2) с напряженностью около 100 В/м.

 

Рис. 12.2. Электрическое поле в атмосфере при хорошей погоде

Капельки воды в облаке в электрическом поле атмосферы становятся электрическими диполями, у которых положительный заряд находится внизу. Перемещающиеся вниз капельки отталкивают положительные ионы и захватывают отрицательные, приобретая избыточный отрицательный заряд; аналогично движущиеся вверх капельки становятся положительными. Движущиеся вверх капельки замерзают при температуре существенно ниже 0^оС (при резком переохлаждении замерзание происходит при температуре около -18^оС). Капелька при резком замерзании лопается, распадаясь на мелкие льдинки, которые уносят положительный заряд на высоту 10 - 12 км. В итоге грозовое облако представляет собой диполь с зарядом в среднем 25 Кл. Центр отрицательного заряда расположен на высоте около 5 км над землей (рис. 12.3), и большая часть наземных молний (около 90%) переносит на землю отрицательный заряд, подзаряжая конденсатор земля - ионосфера. В средних широтах Земли разряды на землю составляют 30..40% всех молний, остальные разряды - межоблачные и внутриоблачные.

Рис. 12.3. Образование заряженных областей в грозовом облаке

Перед разрядом молнии потенциал центральной части отрицательного заряда составляет 50..100 МВ и средняя напряженность поля под облаком невелика, всего 100..200 В/см, однако вблизи центра заряда напряженность поля достигает 20..24 кВ/см, что достаточно для начала ионизации. Развитие наземного разряда молнии, как правило, начинается от облака, ответвления канала при этом направлены вниз. Восходящие молнии наблюдаются только на очень высоких объектах или в горной местности.

Разряд молнии состоит из нескольких стадий. Вначале от центра отрицательного заряда по направлению к земле начинает скачками-ступенями развиваться канал ионизации - ступенчатый лидер. Средняя скорость продвижения ступенчатого лидера составляет 150..300 км/с. При приближении лидера к земле или к возвышенному объекту от последнего начинает развиваться встречный лидер высотой примерно 10 м или более. При соединении двух лидеров ток резко возрастает до значений в десятки и сотни килоампер, канал ионизации сильно нагревается и зона с большим током со скоростью 0.05 - 0.5 от скорости света распространяется обратно к облаку. Эта стадия называется главным разрядом или обратным ударом. Главный разряд отводит на землю заряд из канала лидера и его чехла за время от 20 до 200 мкс. Время нарастания тока в канале главного разряда составляет 5..10 мкс. Таких главных разрядов в одном ударе молнии несколько, в среднем два или три, а общая длительность удара молнии составляет десятые доли секунды (в среднем 0.3 с). Последующие главные разряды имеют длительность фронта порядка 1 мкс. В промежутках между главными разрядами могут протекать слабо меняющиеся во времени токи величиной в сотни ампер, на которые, тем не менее, приходится основная доля перемещаемого молнией заряда.

Степень опасности удара молнии определяется прежде всего максимальным значением тока I_м в канале. Величина падения напряжения на индуктивных элементах и величины индуктированных перенапряжений зависят от скорости нарастания тока молнии на фронте волны. Это наиболее важные параметры тока; кроме того, интеграл определяет нагрев металлических частей, а оплавление металлических частей дугой зависит от величины перенесенного заряда. Обнаружено, что амплитуда тока главного разряда практически не зависит от сопротивления заземления в месте удара, так что молнию можно считать источником тока.

В приближенных расчетах используют усредненные распределения I_м и a без учета их различия в первом и последующем импульсах:

- вероятность того, что амплитуда тока в ударе молнии превысит заданное значение I_м в килоамперах (этот подход практически удобнее, чем обычное определение вероятности как доли всех реализаций при значениях случайной величины, меньших заданной);

- вероятность превышения крутизной тока заданного значения a, кА/мкс.

Между амплитудой и крутизной тока существует слабая положительная связь, однако при расчетах их обычно полагают статистически независимыми случайными величинами. В горных районах при тех же вероятностях величины I_м и a примерно вдвое меньше.

Для прогноза количества ударов молнии в защищаемый объект используют метеорологическую характеристику интенсивности грозовой деятельности - число часов с грозой в год в данной местности T_Г - и среднее число ударов молнии в 1 км² поверхности земли за 100 грозочасов, равное В Иркутске T_Г =30 ч; с увеличением географической широты места T_Г уменьшается.

Возвышенные объекты стягивают на себя удары молний с площади большей, чем их собственная площадь. Число прямых ударов в здания высотой H > или в открытые распределительные устройства с молниеотводами высотой H в течение года вычисляется с увеличением горизонтальных размеров объекта A и B (в метрах) на 3.5 H во все стороны:

,

сомножитель 10^-6 производит перевод квадратных метров в квадратные километры для согласования с размерностью N ₁.

Для линий электропередачи используют удельный показатель , равный числу прямых ударов молнии на 100 км длины за 100 грозочасов. Считается, что линия собирает разряды с расстояния 3 h_ср в обе стороны:

.

Средняя высота подвеса провода h_ср, м, определяется через высоту подвеса троса или верхнего провода на опоре h_оп, м, и стрелу провеса провода f, м, следующим образом:

.

Если линия имеет длину l, км, и расположена в местности с числом грозочасов в год T_Г, то ожидаемое число прямых ударов молнии в линию за год можно оценить по следующей формуле:

.

- грозозащитное заземление, предназначенное для защиты от внешних перенапряжений.

Заземление разрядников, молниеотводов и тросов способствует уменьшению вероятности перекрытия изоляции при грозовых разрядах. Функции рабочего, защитного и грозозащитного заземлений часто возлагают на одно устройство.

Основной характеристикой заземляющего устройства является его сопротивление, определяемое как отношение потенциала на зажиме заземлителя к току, стекающему через заземлитель. Потенциал определяется по отношению к удаленной точке земли. Сопротивление заземлителя зависит от конструкции и размеров, удельного сопротивления земли, а также от величины и формы стекающего с него тока. Различают сопротивления на частоте 50 Гц и на грозовых импульсах, эти сопротивления могут значительно различаться. Импульсное сопротивление заземлителя определяют при протекании импульсного тока, по форме совпадающего со стандартным грозовым импульсом.

Сопротивление заземлителя на частоте 50 Гц и импульсное сопротивление связывают друг с другом импульсным коэффициентом заземлителя : . При стекании с заземлителя больших токов вблизи металлических частей заземлителя плотность тока велика, также велика напряженность электрического поля , где < - удельное сопротивление земли. В этой области происходит локальная ионизация грунта со снижением в месте ионизации, что приводит к снижению импульсного сопротивления и .

При большой протяженности заземлителя (десятки метров) при импульсных токах сказывается влияние его индуктивности и может быть . Этот эффект иллюстрируется схемой замещения заземлителя, рис. 12.1.

Рис. 12.1. Схема замещения протяженного заземлителя

Емкостные токи в грунте при импульсе с фронтом в несколько микросекунд при удельном сопротивлении земли менее 1000 Ом*м существенно меньше токов проводимости, поэтому на схеме рис. 12.1 емкостные элементы отсутствуют. Заземлитель становится протяженным, если при времени фронта импульса 3..5 мкс длина заземлителя превышает 10 м. В этом случае на фронте импульса включается только ближняя к вводу часть заземлителя, и лишь на спаде волны тока подключаются удаленные участки заземлителя.

118. Из каких составляющих складывается индуктированное перенапряжение? Как влияет величина заземления опоры на значение перенапряжения?.

Индуктированные перенапряжения

При ударах молнии вблизи воздушной линии на фазных проводах возникают индуктированные напряжения, которые имеют электрическую и магнитную составляющие, .

Отрицательный заряд канала лидера молнии вызывает появление на проводе положительного заряда (рис. 13.1). При сравнительно медленном продвижении лидера потенциал провода остается равным нулю, поскольку электрическое поле заряда провода уравновешивает электрическое поле заряда лидера. В стадии главного разряда, когда канал лидера очень быстро нейтрализуется, заряды на проводе освобождаются и создают волны напряжения, распространяющиеся в обе стороны линии. Это и есть электрическая составляющая индуктированного напряжения, которая прямо пропорциональна средней высоте подвеса провода h_ср и обратно пропорциональна кратчайшему расстоянию до точки удара молнии b, .

Рис. 13.1. Схема появления индуктированного перенапряжения

Изменение магнитного поля главного разряда наводит в контуре опора - провод - ближняя опора - земля ЭДС, вызывающую магнитную составляющую индуктированного напряжения. Максимальное значение напряжения так же зависит от высоты провода и расстояния, как и для электрической составляющей, , так что индутированное напряжение равно , где .